信息光学第二章PPT课件
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信息光学第二引言PPT学习教案
第33页/共36页
发展光学
信息光学-傅里叶光学
信号与系统的基本分析方法 通信理论、傅里叶分析与现代光学的结合 光学信息处理与全息学的基础
•数学基础
•二维线性系统分析
•标量衍射的角谱理论
•光学成像系统的频率特性
•光全息术
•光学信息处理 第34页/共36页
参考书
陈家璧、苏显渝主编：光学信息技术原理及应用 （面向21世纪课程教材） 高等教育出版社，2002 参考书
采传处存 集输理储
超高速度
超大容量
第20页/共36页
例1
重返大气层多弹头导弹的
拦截
弹头数量大于1000枚的情况
要求：在数分钟内完成五项功
能
寻
识
跟
发
迎
的
别
踪
射
击
在 3’ —— 29’ 时间内分 4 阶段拦截、确认
计结算果速度
要求达 1015 次/秒
第21页/共36页
目前 电子计算机 的计算速度举例
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全息防伪 技术
第15页/共36页
20世纪光学的 主要特点
精密 加工
微电子
空间 化学 工程
能源
生物工程
印刷
医疗 4、应用范围的扩展
材料
遥感
遥测
核技 术
防灾
生命 科学
环境 保护
生态环境
农业
资源 保护
通信
计量
军事
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信息科学
光信息 光电子 科学 技术
光电子成为信息产业的主角
能行走，能认识10个人 会握手、挥手、跟在人后面走
结论
电子系统速度慢，现代机器人比不上 人
信息光学 第二章ppt课件
② 可由已知波面求另一时刻的波面。 不足：对衍射仅有定性解释，无法用波长、振幅、位相等物理 量对衍射结果作定量描述。
可编辑课件
5
二 惠更斯－菲涅耳原理 三 目的：以子波相干叠加的方法对衍射结果进行定量描述。
Z
Q R
r
S
P
Z/
研究方法：单色点光源S发出的球面波波面为，波面半径为R， 光波传播空间内任意一点P的振动应是波面上发出的所有子波 在该点振动的相干叠加。
可编辑课件
24
可编辑课件
25
孔径输出
A 0 ( c, o c) s o ( c s, o c) s o * T ( c s, o c) s o T ( c s, o c) s o
上式说明通过衍射屏后，由δ函数所表征的入射光场 的角谱变成了孔径函数的傅里叶变换，显然角谱分量 大大增加。
• 相干光场在自由空间传播的平移不变性
• 相干光场在自由空间传播的脉冲响应
可编辑课件
4
2.1. 惠更斯—菲涅耳原理与基尔霍夫衍射公式
一 惠更斯原理 表述：任何时刻的波面上的每 一点都可作为发射子波的波源， 各自发出球面子波。其后任一时刻所有子波波面的包络面形成 整个波动在该时刻的新波面。 优点：① 可以直观描述波的传播并解释衍射产生的原因。
17
可编辑课件
18
（夫琅和费近似）
+
可编辑课件
19
2.2 衍射的角谱理论
孔径平面和观察平面上的光场分布都可以分别看成 是许多不同方向传播的单色平面波分量的线性组合。每 一平面波分量的相对振幅和相位取决于相应的角谱。
x0 y0
U0(x0, y0)
A0(c
os ,
c
os)
可编辑课件
5
二 惠更斯－菲涅耳原理 三 目的：以子波相干叠加的方法对衍射结果进行定量描述。
Z
Q R
r
S
P
Z/
研究方法：单色点光源S发出的球面波波面为，波面半径为R， 光波传播空间内任意一点P的振动应是波面上发出的所有子波 在该点振动的相干叠加。
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孔径输出
A 0 ( c, o c) s o ( c s, o c) s o * T ( c s, o c) s o T ( c s, o c) s o
上式说明通过衍射屏后，由δ函数所表征的入射光场 的角谱变成了孔径函数的傅里叶变换，显然角谱分量 大大增加。
• 相干光场在自由空间传播的平移不变性
• 相干光场在自由空间传播的脉冲响应
可编辑课件
4
2.1. 惠更斯—菲涅耳原理与基尔霍夫衍射公式
一 惠更斯原理 表述：任何时刻的波面上的每 一点都可作为发射子波的波源， 各自发出球面子波。其后任一时刻所有子波波面的包络面形成 整个波动在该时刻的新波面。 优点：① 可以直观描述波的传播并解释衍射产生的原因。
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可编辑课件
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（夫琅和费近似）
+
可编辑课件
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2.2 衍射的角谱理论
孔径平面和观察平面上的光场分布都可以分别看成 是许多不同方向传播的单色平面波分量的线性组合。每 一平面波分量的相对振幅和相位取决于相应的角谱。
x0 y0
U0(x0, y0)
A0(c
os ,
c
os)
信息光学2
15
傅里叶变换与光学
在光学信息处理中，光学系统所传递和处理的信息是
随空间变化的函数。
一幅图像是一种光的强度和颜色按空间的分布，这种分 布的特征可用空间频率表明。把图像看作是由各种方向、
各种间距的线条组成。
16
傅里叶变换与光学
例：振幅型透射光栅的傅里叶级数展开
光栅常数：
d 2b
--空间周期为d 的函数
二维傅里叶变换
13
傅里叶变换的意义
傅里叶变换是一种解决问题的方法，一种工具，一种看待问题
的角度：一个连续的信号可以看作是一个个小信号的叠加，从
时域叠加与从频域叠加都可以组成原来的信号，将信号这么分 解后有助于处理。 时域信号：将信号从时间的角度的分割和叠加。 傅里叶变换：将信号从频率的角度叠加。
二维傅里叶变换
11
2 2
3 3
-3 -3
-2 -2
-1 -1 -0.25 -0.25 -0.5
1
1
2
2
3
3
-0.5 -0.75 -0.75
内容回顾
10
二维傅里叶变换 1.傅里叶变换
• 正变换 F ,
• 逆变换 f x , y
f ( x , y ) exp j 2 ( x y )dxdy
二维傅里叶变换的核 可为实函数或复函数
(x,y, ξ, η) 均为实变量
逆傅里叶变换
f x, y
F ( , ) exp j 2 ( x y ) d d
可以把非周期函数 f (x, y) 分解为连续频率的余弦分量的积分。
F(ξ, η) 表示个连续频率成分的权重因子。
《信息光学第二章》课件
干涉条纹：干涉现象产生的 明暗相间的条纹
光的干涉：光波在传播过程 中相互叠加，形成干涉现象
干涉原理：光的相位差、频 率和振幅对干涉条纹的影响
光的衍射和衍射系统
傅里叶光学基础
傅里叶光学是研究光的传播、干涉、衍射等现象的学科 傅里叶光学的基本原理包括光的波动性、干涉、衍射等 傅里叶光学的应用包括光学成像、光学通信、光学测量等 傅里叶光学的发展对现代光学和光电子学产生了深远影响
量子信息光学：研究量子信息处理和传 输
生物光子学：研究生物系统中的光子学 现象和应用
光子晶体：研究光子晶体的制备和应用
光学成像：研究光学成像技术和应用
光子学：研究光子学器件和系统的设计、 制造和应用
光学通信：研究光学通信技术和应用
信息光学的发展展望
光学技术在信息领域的应用越来 越广泛
光学技术在通信、传感、成像等 领域的发展趋势
1960年代，信息光学理论得到快速发展
1990年代，信息光学在光学通信、光学成像等 领域得到进一步发展
1970年代，信息光学在通信、雷达等领域得到 广泛应用
2000年代，信息光学在光学通信、光学成像等领域得 到广泛应用，并开始向生物医学、环境监测等领域拓展
信息光学的基本原理
光的干涉和干涉系统
干涉系统：由两个或多个光源 组成的系统，可以产生干涉现 象
光学技术在生物医学、环境监测 等领域的应用前景
光学技术在量子信息、人工智能 等领域的发展潜力
感谢您的耐心观看
汇报人：
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信息光学第二章
汇报人：
目录
CONTENTS
01 添加目录标题
02 信息光学的基本概 念
03 信息光学的基本原 理
信息光学课件
电磁场与麦克斯韦方程
电磁场的基本概念
电磁场是由电场和磁场组成的， 它们之间存在相互作用。
麦克斯韦方程
描述了电磁场变化的四个基本方程 ，包括电场的散射方程、磁场的散 射方程、电场的波动方程和磁场的 波动方程。
电磁场的能量守恒
电磁场在空间中传播时，其能量不 会消失也不会凭空产生，即电磁场 的能量守恒。
将光学传感技术应用于物联网领域，实现智能化 、远程化和自动化的监测和控制。
3
光学传感器的集成与小型化
通过集成和优化光学器件，实现光学传感器的微 型化和便携化，满足不同应用场景的需求。
05 信息光学实验与实践教学 环节设计
实验内容与目标设定
实验内容
信息光学实验包括干涉、衍射、光学 信息处理等基本实验，以及一些综合 性和创新性实验。
信息光学课件
目录
CONTENTS
• 信息光学概述 • 信息光学基础理论 • 信息光学器件与系统 • 信息光学前沿技术与发展趋势 • 信息光学实验与实践教学环节设计 • 信息光学课程评价与总结反思环节设计
01 信息光学概述
信息光学定义与特点
信息光学定义
信息光学是一门研究光学信息的 获取、传输、处理、存储和显示 的科学。
傅里叶变换与信息光学
傅里叶变换
是一种将时域信号转换为频域信号的数学工具，常用于信号处理 和图像处理等领域。
信息光学的基本概念
信息光学是一门研究光波在空间和时间上传递、处理和存储信息的 科学。
信息光学的应用
信息光学在通信、生物医学成像、军事等领域有着广泛的应用，如 光纤通信、光学显微镜、光学雷达等。
03 信息光学器件与系统
光学器件分类与特点
主动光学器件
信息光学(傅里叶光学)Chap2-1
1
1
其它
其他频率 分量全通
H(f)
-1/4
0 1/4 -1
f
H(f) = 1-2rect(2f)
线性不变系统 例
H(f) = 1-2rect(2f)
脉冲响应: h( x)
-1
x H ( f ) d ( x) sinc 2
h(x)
x -2 0 2
线性不变系统 H(f) = 1-2rnc50 f sinc( f )
只要知道各个脉冲响应函数, 系统的输出即为脉冲响应函数 的线性组合. 问题是如何求对任意点的脉冲d 响应h(x,
y; xh)
§2-1 线性系统简介
脉冲响应函数h(x, y ; x h )的求法:
对一般系统而言, 脉冲响应函数的形式可能是点 点不同的
例如,
{d(x)}= h (x)=1 {d(x-1)}= h (x;1)= exp(-j2px) h (x;1) h (x-1)=1
{d(x-x, y-h)}=h (x-x, y-h) 则此线性系统称为空间不变系统或位移 不变系统.
线性不变系统的脉冲响应:
h (x, y; x, h) = h (x-x, y-h)
观察点 输入脉冲 坐标 坐标 二个坐标的 相对间距
线性不变系统的输入-输出变换关系不随空间位置变化.
§2-2 线性不变系统: 例
•低通滤波器: 允许通过的频率有一上限—截止频率 例2.1中的传递函数的性质：在|频率| < b的区间 内信号能无畸变地通过,此外全部阻塞. 这种系统的作用 是低通滤波器. • 高通滤波器: 允许通过的频率有一下限 • 带通滤波器: 只通过某特定频带内的频率分量 • 其它滤波器: 位相滤波器, 匹配滤波器等等
信息光学ppt课件
Introduction 4、应用范围的扩展
Information Optics
精选ppt
School of Physics & Material Science
Introduction
光电子 技术
光电子成为信息产业的主角
• 许多学科分支和方向
已形成大规模的产业
全世界光学和光（电）子学技术产业规模
• 空间尺度：百亿光年 单原子尺度，介观尺度
研究方向
天文光学
纳米光学
• 时间尺度：天文时间
原子反应时间（10-15 秒）
研究方向 静态光学
瞬态光学
如超快速现象
纳秒、 皮秒、飞秒
Information Optics
精选ppt
School of Physics & Material Science
Introduction
2、应用功能的扩展 光学工程 —— 综合技术学科
现代精密仪器：
多功能、高效率
光、机、电、算、材 一体化
光学
光
技术手段：自动化、 数字化、智能化
精密机械
机
材
材料
电子
Information Optics
电
算
计算机
精选ppt
School of Physics & Material Science
Introduction
Introduction
享受光 享受光学
光学科学与技术的成果已深深渗透到我们 的生活中.
--王大珩
Information Optics
精选ppt
School of Physics & Material Science
傅立叶光学(信息光学)_课件
1 x>0 Step（x）= ½ x=0
0 x<0
step(x)
1
0
step(x-x0),间断点移到x0处
x
二、符号函数：描述某孔径一半宽有 的位相差
1 x>0 Sgn（x）= 0 x=0
-1 x<0
Sgn(x)=2step(x)-1
sgn(x)
1
x
0
1
三、矩形函数（门函数）：表示狭缝、矩孔的透过
傅立叶光学
第一章 绪论 第二章 线性系统与Fourier分析 第三章 光波的标量衍射理论 第四章 透镜的Fourier变换性质 第五章 光学成像系统的频率响应 第七章 光学全息 第八章 空间滤波与光学信息处理
第一章 绪论
一、“信息光学”的含义 信息光学＝数学工具（级数、积分）＋经典光学 （光波的传播、干涉、衍射、成像、光学信息的记 录与再现、光学信号的处理）
2、光学中的线性叠加原理uv uuv uuv 波的迭加原理：矢量：E E1( p) E2( p) L
n
相干光场：复振幅：U（p）=Ui ( p) i 1
n
非相干光场：光强：I ( p) Ii ( p) i 1
3、利用系统的特性来求输入/输出关系 “三步法则”： 第一步：将复杂输入分解为简单输入函数之和 第二步：分别求出简单函数的输出 第三步：将简单函数输出加起来
2.1 线性系统的基本概念 一、系统：同类事物按一定关系所组
成的整体
特征(性)：不管内部结构，只是全体与外 部的关系，是整体行为，综 合行为
二、物理系统：由一个或多个物理装
置所组成的系统
1、概念：考虑与外形的信息交换 2、内容：输入/输出关系 3、特点：系统的外特性 4、作用：对输入信号变换作用——运算作用
0 x<0
step(x)
1
0
step(x-x0),间断点移到x0处
x
二、符号函数：描述某孔径一半宽有 的位相差
1 x>0 Sgn（x）= 0 x=0
-1 x<0
Sgn(x)=2step(x)-1
sgn(x)
1
x
0
1
三、矩形函数（门函数）：表示狭缝、矩孔的透过
傅立叶光学
第一章 绪论 第二章 线性系统与Fourier分析 第三章 光波的标量衍射理论 第四章 透镜的Fourier变换性质 第五章 光学成像系统的频率响应 第七章 光学全息 第八章 空间滤波与光学信息处理
第一章 绪论
一、“信息光学”的含义 信息光学＝数学工具（级数、积分）＋经典光学 （光波的传播、干涉、衍射、成像、光学信息的记 录与再现、光学信号的处理）
2、光学中的线性叠加原理uv uuv uuv 波的迭加原理：矢量：E E1( p) E2( p) L
n
相干光场：复振幅：U（p）=Ui ( p) i 1
n
非相干光场：光强：I ( p) Ii ( p) i 1
3、利用系统的特性来求输入/输出关系 “三步法则”： 第一步：将复杂输入分解为简单输入函数之和 第二步：分别求出简单函数的输出 第三步：将简单函数输出加起来
2.1 线性系统的基本概念 一、系统：同类事物按一定关系所组
成的整体
特征(性)：不管内部结构，只是全体与外 部的关系，是整体行为，综 合行为
二、物理系统：由一个或多个物理装
置所组成的系统
1、概念：考虑与外形的信息交换 2、内容：输入/输出关系 3、特点：系统的外特性 4、作用：对输入信号变换作用——运算作用
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故可将复振幅波动方程化简为
( k )U
其中 k称为波数，表示单位长度上产生的相位变化，定义为
k v
化简后的波动方程称为亥姆霍兹方程，是不含时间的偏微分方程。 在自由空间传播的任何单色光扰动的复振幅都必须满足这个不含时
间的波动方程。这也就意味着，可以用不含时间变量的复振幅分布
2021/3/9完善地描述单色光波场
信息光学
标量衍射理论
2021/3/9
授课：XXX
1
一 什么是标量衍射理论？
衍射：按照索末菲定义是“不能用反射或折射来解释的光线对直 线光路的任何偏离”
光的标量衍射理论的条件 （1）衍射孔径比波长大很多， （2）观察点离衍射孔不太靠近；
经典的标量衍射理论最初是1678年惠更斯提出的，1818年菲涅耳 引入干涉的概念补充了惠更斯原理，1882年基尔霍夫利用格林定 理，采用球面波作为求解波动方程的格林函数，导出了严格的标 量衍射公式
当直角坐标的原点与球面波中心重合时，单色发散球面波在光场 中任何一点产生的复振幅可写作
U P a e jkr
r a为离开点光源单位距离处的振幅
对于会聚球面波球面波方程指数上加负号
2021/3/9
授课：XXX
6
球面波在平面上的等位相线
2021/3/9
授课：XXX
7
球面波在平面上的复振幅分布
当点光源或会聚点位于空间任意一点时，有
12
平面波的空间频率
x ，y ，z方向上平面波的空间频率分别定义为
fx
cos
cos fy
fz
cos
从而平面波的复振幅的一般表达式变为
U (x, y, z) a exp[ j (xf x yf y zf z )]
空间频率的倒数即为振荡周期（X，Y，Z）
X
λ cosα
,Y
λ cosβ
r
x x y y z z
考察与其相距 z z 的平面 x y 上的光场分布。 r 可写为
如果
r
z
x x
y y
z
x
x
y
z
y
x x y y
z
利用二项式展开，并略去高阶项，得到 r z x x y y
z
将近似式代入发散球面波表达式，得到在平面上平面波复振幅
2021/3/9
授课：XXX
2
标量波动方程
作为空间和时间函数的电场或磁场分量 u ，在任一空间无源点
上满足标量波动方程
u u
式中
x
y
z
v t
是拉普拉斯算符，电磁场在介质中传播速度 v εμ
而 、 为介质的介电系数和磁导率。
满足该方程的基本解的线性组合都是方程的解。球面波和平面波 都是波动方程的基本解。任何复杂的波都可以用球面波和平面波 的线性组合表示，也都是满足波动方程的解。
2021/3/9
授课：XXX
3
光振动的复振幅定义
取最简单的简谐振动作为波动方程的特解，单色光场中某点在时 刻的光振动可表示成
uP,t aPcos2πν t φP
用复指数函数表示光振动是方便的，上式变成
u P, t Re a P e j2πν tφP Re a P e jφPe j2πν t
如波矢量 k 表示光波的传播方向，其大小为 k 2 ，方向余弦
为 cos, cos , cos ，则平面波传播到空间某点的复振幅的一般表
达式为
U (x, y, z) a exp( jk r)
a exp[ jk(x cos y cos z cos )]
其中 a 为常量振幅。由于方向余弦满足 cos 1 cos2 cos2
将花括号内的由空间位置确定的部分合在一起定义成一个物理量
U PaPexp jφP
称为单色光场中点的复振幅，它包含了点光振动的振幅和初位相， 仅仅是位置坐标的复值函数，与时间无关
光强可用复振幅表示成
2021/3/9
I
授P课：XUXX P
UU *
4
亥姆霍兹方程
在仅涉及满足叠加原理的线性运算（加、减、积分和微分等）时， 可用复指数函数替代表示光振动的余弦函数形式。在运算的任何一 个阶段对复指数函数取实部，与直接用余弦函数进行运算在同一个 阶段得到的结果是相同的
exp j
k z
x x
y
y
位相相同的点的轨迹，即等位相线方程为同心圆族
x x y y C
2021/3/9
授课：XXX
9
平面波在 x y 面上的等位相线
2021/3/9
授课：XXX
10
平面波的复振幅表示
在任意时刻、与波矢量相垂直的平面上振幅和位相为常数的光波称 为平面波
,
Z
性位相因子，当平面上复振幅分布的表达式中包含有这种因子， 就可以认为有一个方向余弦为 cos, cos 的平面波经过这个平 面
平面波等位相线方程为 x cos y cos C
因此，等位相线是一些平行直线。
前面图中用虚线表示出相位值相差 的一组波面与平面 x y 的
பைடு நூலகம்
2021/3交/9 线，即等位相线；它们是授一课组：平XX行X 等距的斜直线
授课：XXX
5
球面波的复振幅表示
从点光源发出的光波，在各向同性介质中传播时形成球形的波面， 称为球面波。一个复杂的光源常常可以看做是许多点光源的集合,
它所发出的光波就是球面波的叠加
这些点光源互不相干时是光强相加，相干时则是复振幅相加。
球面波的等位相面是一组同心球面，每个点上的振幅与该点到球 心的距离成反比
分布为
2021/3/9 U x,
y
a z
exp
jkzex授p课：j XkXzXx
x
y
y
8
球面波的位相因子和等位相线
发散球面波在平面上产生的复振幅分布的位相因子中包括两项
常量位相因子 exp jkz 与传播距离有关
随平面坐标变化的第二项称作球面波的（二次）位相因子，当平面上 复振幅分布的表达式中包含有下述因子，就可以认为距离该平面处有 一个点光源发出的球面波经过这个平面。
于是复振幅可写为 U (x, y) Aexp[ jk(x cos y cos )]
其中
A a exp( jkz cos cos )
2021/3/9
授课：XXX
11
平面波的位相因子和等位相线
和球面波表达式类似，平面波复振幅可分成与坐标有关和与坐标无 关的两部分
与坐标 x y有关的 exp[ jk(x cos y cos )]是表征平面波特点的线